用于电磁能量回收与传输的宽带宽功率范围整流电路的制作方法

1.本发明涉及整流电路领域，尤其是一种用于电磁能量回收与传输的宽带宽功率范围整流电路。


背景技术：

2.随着现代通信技术的更新迭代，大量的低功率物联网设备被广泛部署到许多空间不足、地形复杂与环境恶劣的场景中，此时若使用铺设线缆的传统供能方式会带来许多挑战。同时，通信技术的发展促使越来越多的无线基站建成，环境中日益增长的电磁能量成为一种可靠、长期、绿色的能源。因此，采用电磁能量回收与传输技术能够有效地解决各类场景中低功率电子设备的供能问题，摆脱对线缆的依赖。
3.作为电磁能量回收与传输系统中的核心器件，整流电路的性能极大地影响了整个系统的效率。由于二极管的非线性特征，目前多数的整流电路只在特定的频率或功率范围内才有较好的效率，不满足绝大部分工程应用中的需求。因此，一种具有宽带、宽功率范围特性的整流电路显得尤为重要。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中整流电路带宽窄、功率范围窄的问题，本发明提供了一种用于电磁能量回收与传输的宽带宽功率范围整流电路。
5.本发明实施例包括一种用于电磁能量回收与传输的宽带宽功率范围整流电路，包括：
6.功率拓展网络：所述功率拓展网络包括第一端、第二端和第三端，所述第一端用于连接到射频源，所述第二端和所述第一端之间通过第一组多段传输线连接，所述第三端和所述第一端之间通过第二组多段传输线连接；
7.二极管组合网络：所述二极管组合网络包括第四端、第五端、第六端、第七端、第八端和第九端，从所述第四端到所述第六端单向导通，从所述第七端到所述第四端单向导通，从所述第八端到所述第五端单向导通，从所述第五端到所述第九端单向导通；
8.频率拓展网络：所述频率拓展网络包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、谐波通路、第十端、第十一端、第十二端、第十三端、第十四端和第十五端，所述第一滤波器设置在所述第十端和所述第十四端之间，所述第二滤波器设置在所述第十三端和所述第十五端之间，所述第三滤波器同时连接所述第十一端和所述第十二端，所述谐波通路设置所述第十端和所述第十三端之间；
9.所述第二端与所述第四端连接，所述第三端与所述第五端连接，所述第六端和所述第十端连接，所述第七端与所述第十一端连接；所述第八端与所述第十二端连接；所述第九端与所述第十三端连接。
10.进一步地，所述第十四端用于连接到第一负载，所述第十五端用于连接到第二负载。
11.进一步地，所述第一组多段传输线和所述第二组多段传输线均为线径逐渐增大的三段传输线；所述第一组多段传输线的线径从所述第二端至所述第一端逐渐增大，所述第二组多段传输线的线径从所述第三端至所述第一端逐渐增大。
12.进一步地，所述宽带宽功率范围整流电路还包括第一匹配网络、第二匹配网络、第一隔直电容和第二隔直电容；
13.所述第一匹配网络的输出端与所述第四端连接，所述第一匹配网络的输入端与所述第一隔直电容的一端连接，所述第一隔直电容的另一端与所述第二端连接；
14.所述第二匹配网络的输出端与所述第五端连接，所述第二匹配网络的输入端与所述第二隔直电容的一端连接，所述第二隔直电容的另一端与所述第三端连接。
15.进一步地，所述第一匹配网络包括第一导线、第一扇形枝节与第一短截线；所述第一扇形枝节和所述第一短截线分别与所述第一导线连接，所述第一导线的一端作为所述第一匹配网络的输入端，所述第一导线的另一端作为所述第一匹配网络的输出端。
16.进一步地，所述第二匹配网络包括第二导线、第二扇形枝节与第二短截线；所述第二扇形枝节和所述第二短截线分别与所述第二导线连接，所述第二导线的一端作为所述第二匹配网络的输入端，所述第二导线的另一端作为所述第二匹配网络的输出端。
17.进一步地，所述二极管组合网络包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；
18.所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接，所述第一二极管与所述第二二极管的连接点作为所述第四端，所述第一二极管的负极作为所述第六端，所述第二二极管的正极作为所述第七端；
19.所述第三二极管的负极与所述第四二极管的正极连接，所述第三二极管与所述第四二极管的连接点作为所述第五端，所述第三二极管的正极作为所述第八端，所述第四二极管的负极作为所述第九端。
20.进一步地，所述谐波通路包括第一耦合器和第二耦合器，所述第一耦合器设置在所述第十端和所述第十一端之间，所述第二耦合器设置在所述第十二端和所述第十三端之间。
21.进一步地，所述宽带宽功率范围整流电路还包括介质基板，所述功率拓展网络、二极管组合网络和频率拓展网络被通过微带工艺固定在所述介质基板上。
22.进一步地，所述介质基板的材质为rogers r4003c，所述介质基板的厚度为0.813mm，所述介质基板的介电常数为3.38。
23.本发明的有益效果是：在面向功率水平低下的电磁能量回收场景中，实施例中的宽带宽功率范围整流电路接收到电磁信号并开始整流时，第一、第二、第三滤波器能够显著抑制电路中的谐波分量，同时较高频部分信号产生的谐波能够被谐波通路引导回二极管组合网络进行反复整流，提升电路在较高频处的整流效率，进而拓宽电路的工作带宽；在面向功率水平较高的电磁能量传输场景中，实施例中的宽带宽功率范围整流电路接收到电磁信号后，功率拓展网络将功率以功分比为2:3的形式分配至二极管组合网络进行整流，使得在高功率输入时流入每个二极管的信号功率均处于其正常工作的功率范围之内，提升电路在高功率输入状态下的整流效率，进而拓宽电路的功率范围。
附图说明
24.图1为实施例中宽带宽功率范围整流电路的拓扑示意图；
25.图2为实施例中通过微带工艺制作出的功率拓展网络的示意图；
26.图3为实施例中通过微带工艺制作出的频率拓展网络的示意图；
27.图4为实施例中设有匹配网络的宽带宽功率范围整流电路的拓扑示意图；
28.图5为实施例中设有匹配网络和隔直电容的宽带宽功率范围整流电路的拓扑示意图；
29.图6为实施例中通过微带工艺制作出的宽带宽功率范围整流电路的示意图；
30.图7为实施例中宽带宽功率范围整流电路频率拓展效果的示意图；
31.图8为实施例中宽带宽功率范围整流电路功率拓展效果的示意图；
32.图9、图10和图11分别为实施例中对宽带宽功率范围整流电路进行仿真与测试所得的数据结果示意图。
具体实施方式
33.实施例1
34.本实施例中，参照图1，用于电磁能量回收与传输的宽带宽功率范围整流电路包括功率拓展网络、二极管组合网络和频率拓展网络。功率拓展网络可以使用如图2所示的结构，包括第一端1、第二端2和第三端3，第一端1用于连接到射频源，第二端2和第一端1之间通过第一组多段传输线连接，第三端3和第一端1之间通过第二组多段传输线连接。
35.参照图2，第一组多段传输线和所第二组多段传输线均为线径逐渐增大的三段传输线，而且第一组多段传输线的线径从第二端开始至第一端逐渐增大，第二组多段传输线的线径从第三端至第一端逐渐增大。
36.在固定频率的电磁能量传输场景下，传输线的阻抗与电长度可以通过先确定第二端2、第三端3的输入阻抗后计算得到。
37.二极管组合网络可以使用如图1所示的结构，包括六个端口即第四端4、第五端5、第六端6、第七端7、第八端8和第九端9，具有如下性质：从第四端4到第六端6为单向导通，从第七端7到第四端4为单向导通；即在第四端4加高电压、在第六端6加低电压时第四端4和第六端6之间导通，在第四端4加低电压、在第六端6加高电压时第四端4和第六端6之间不导通；在第七端7加高电压、在第四端4加低电压时第七端7和第四端4之间导通，在第七端7加低电压、在第四端4加高电压时第七端7和第四端4之间不导通。同样地，从第八端8到第五端5为单向导通，从第五端5到第九端9为单向导通。
38.本实施例中，二极管组合网络可以使用第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4搭建组成，其结构如图1所示。其中第一二极管d1的正极与第二二极管d2的负极连接，连接点作为第四端4，第一二极管d1的负极作为第六端6，第二二极管d2的正极作为第七端7；第三二极管d3的负极与第四二极管d4的正极连接，连接点作为第五端5，第三二极管d3的正极作为第八端8，第四二极管d4的负极作为第九端9。
39.本实施例中，第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4可以是肖特基二极管，进一步地可以是型号为sms7630的肖特基二极管。
40.本实施例中，频率拓展网络可以使用如图3所示的结构，频率拓展网络包括第一滤
波器、第二滤波器、第三滤波器、谐波通路、第十端10、第十一端11、第十二端12、第十三端13、第十四端14和第十五端15。其中第一滤波器、第二滤波器可以是由接地电容与尺寸为截止频率四分之一波长的开路扇形枝节线构成，并且第一滤波器导线两端分别作为第十端10和第十四端14，第二滤波器导线两端分别作为第十三端13和第十五端15；第三滤波器同时连接第十一端11和第十二端12，其结构可以是一导线引出微带线通过电容接地；谐波通路包括两段耦合器，第一耦合器设置在第十端10和第十一端11之间，第二耦合器设置在第十二端12和第十三端13之间，耦合器的尺寸结构如图6所示。
41.参照图1，功率拓展网络的第二端2与二极管组合网络的第四端4连接，功率拓展网络的第三端3与二极管组合网络的第五端5连接，二极管组合网络的第六端6与频率拓展网络的第十端10连接，二极管组合网络的第七端7与频率拓展网络的第十一端11连接，二极管组合网络的第八端8与频率拓展网络的第十二端12连接，二极管组合网络的第九端9与频率拓展网络的第十三端13连接。
42.参照图1，频率拓展网络的第十四端14与第一负载连接，频率拓展网络的第十五端15与第二负载连接，本实施例中负载均为纯电阻。
43.结合图1、图2和图3可以理解本实施例中宽带宽功率范围整流电路的工作原理：引入频率拓展网络后，在宽带宽功率范围整流电路接收到电磁信号并开始整流时，第一、第二、第三滤波器能够显著抑制电路中的谐波分量，同时较高频部分信号产生的谐波能够被谐波通路引导回二极管组合网络进行反复整流，因此较高频处的整流效率得到提升，进而电路的工作带宽得到提升，适用于面向功率水平低下的电磁能量回收场景；引入功率拓展网络后，在高功率电磁信号输入时，能量以功分比2:3的形式分配至二极管组合网络进行整流，使得流入每个二极管的信号功率处于其正常工作的功率范围之内，从而提升电路在高功率输入状态下的整流效率，进而拓宽电路的功率范围，适用于面向功率水平较高的电磁能量传输场景。
44.本实施例中，可以在图1所示的宽带宽功率范围整流电路的基础上，进行进一步改进，如图4所示，在功率拓展网络和二极管组合网络之间增加设置匹配网络，第一匹配网络设置在第二端2和第四端4之间，第二匹配网络设置在第三端3和第五端5之间。
45.本实施例中，可以在图4所示的宽带宽功率范围整流电路的基础上，进行进一步改进，如图5所示，在匹配网络和功率拓展网络之间增加设置隔直电容，第一隔直电容c1设置在第二端2和第一匹配网络之间，第二隔直电容c2设置在第三端3和第二匹配网络之间。
46.本实施例中，可以通过微带工艺，将功率拓展网络、二极管组合网络、频率拓展网络、匹配网络和隔直电容固定在介质基板的同一面上。介质基板的另一方面通过覆铜等制作地线，在频率拓展网络的所在位置，例如是第一滤波器、第二滤波器和第三滤波器需要接地的部分，制作穿透介质基板的接地过孔，从而使得位于介质基板的一面的宽带宽功率范围整流电路和负载能够进行接地。
47.本实施例中，所使用的介质基板的材质为rogersr4003c，厚度为0.813mm，介电常数为3.38。
48.本实施例中，通过微带工艺在介质基板上制作功率拓展网络、二极管组合网络、频率拓展网络、匹配网络和隔直电容等所得到的宽带宽功率范围整流电路的效果如图6所示。参照图6，第一匹配网络的结构与第二匹配网络的结构相同，并且第一匹配网络与第二匹配
网络在介质基板上对称分布。
49.参照图6，第一匹配网络包括第一导线、第一扇形枝节与第一短截线，其中第一扇形枝节半径为4.1mm、圆心角为40
°
，第一短截线由两根长为2.5mm、宽为0.8mm的短截线以及两根长为3.7mm、宽为0.5mm的短截线组成，第一扇形枝节和第一短截线分别与第一导线连接，第一导线的一端作为第一匹配网络的输入端，第一导线的另一端作为第一匹配网络的输出端。
50.参照图6，第二匹配网络包括第二导线、第二扇形枝节与第二短截线，其中第二扇形枝节半径为4.1mm、圆心角为40
°
，第二短截线由两根长为2.5mm、宽为0.8mm的短截线以及两根长为3.9mm、宽为0.7mm的短截线组成，第二扇形枝节和第二短截线分别与第二导线连接，第二导线的一端作为第二匹配网络的输入端，第二导线的另一端作为第二匹配网络的输出端。
51.图6中的匹配网络能够起到阻抗匹配的作用，使得宽带宽功率范围整流电路在整个工作频段内具有稳定的效率。隔直电容可以起到隔直通交的作用，也能进一步提高整流效率。为了实现最佳性能，图6中第一负载的电阻优选为910ω，第二负载的电阻优选为750ω。
52.实施例2
53.本实施例中，提供一种实施例1的用于电磁能量回收与传输的宽带宽功率范围整流电路的设计方法，或称为用于电磁能量回收与传输的宽带宽功率范围整流电路的制造方法，包括以下步骤：
54.s1.获取介质基板；
55.s2.在所述介质基板的一面制作功率拓展网络、二极管组合网络、频率拓展网络；所述功率拓展网络包括第一端、第二端和第三端，所述第一端连接射频源，所述第二端和所述第一端之间、所述第三端和所述第一端之间均由三段传输线构成；所述二极管组合网络包括第四端、第五端、第六端、第七端、第八端和第九端，从所述第四端到所述第六端、从所述第七端到所述第四端、从所述第八端到所述第五端、从所述第五端到所述第九端均为单向导通；所述频率拓展网络包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、谐波通路、第十端、第十一端、第十二端、第十三端、第十四端和第十五端，所述第一滤波器设置在所述第十端和所述第十四端之间，所述第二滤波器设置在所述第十三端和所述第十五端之间，所述第三滤波器同时连接所述第十一端和所述第十二端，所述谐波通路设置所述第十端和所述第十三端之间；所述第二端与所述第四端连接，所述第三端与所述第五端连接，所述第六端和所述第十端连接，所述第七端与所述第十一端连接；所述第八端与所述第十二端连接；所述第九端与所述第十三端连接。
56.步骤s1和s2可以是通过微波电路仿真软件、微波电路测试软件或微波电路设计软件等执行，也可以是在生产车间中通过生产机器来执行，即步骤s1和s2既可以是实验室仿真的操作，也可以是实际生产工艺流程。
57.通过执行步骤s1和s2，获得图1-图6所示的宽带宽功率范围整流电路。为了获得最佳性能，图6中还标记出了优化后宽带宽功率范围整流电路中的一些部件的物理尺寸。
58.通过执行步骤s1和s2，能够获得实施例1中的宽带宽功率范围整流电路，从而实现与实施例1相同的技术效果，包括：所获得的宽带宽功率范围整流电路中，引入频率拓展网
络后，在宽带宽功率范围整流电路接收到电磁信号并开始整流时，第一、第二、第三滤波器能够显著抑制电路中的谐波分量，同时较高频部分信号产生的谐波能够被谐波通路引导回二极管组合网络进行反复整流，因此较高频处的整流效率得到提升，进而电路的工作带宽得到提升，适用于面向功率水平低下的电磁能量回收场景中；引入功率拓展网络后，在高功率电磁信号输入时，能量以功分比2:3的形式分配至二极管组合网络进行整流，使得流入每个二极管的信号功率处于其正常工作的功率范围之内，从而提升电路在高功率输入状态下的整流效率，进而拓宽电路的功率范围，适用于面向功率水平较高的电磁能量传输场景中。
59.实施例3
60.本实施例中，使用实施例2中设计或制造所得的宽带宽功率范围整流电路进行仿真，仿真效率对比的结果如图7、图8所示，仿真与实测结果如图9、图10和图11所示。
61.如图7所示，通过对比仿真整流效率可以发现，当实施例1和实施例2使用频率拓展网络时，在工作频率高于1.4ghz后，整流电路的效率显著提升，在0dbm、效率大于40％条件下的相对带宽拓宽近50.56％，实现了在低功率电磁能量输入状态下的宽带性能。
62.如图8所示，通过对比仿真整流效率可以发现，当实施例1和实施例2使用功率拓展网络时，在输入功率高于16dbm后，整流电路的效率显著提升，在1.7ghz、效率大于40％条件下的功率范围增大近4db，实现了在高功率电磁能量输入状态下的宽功率范围性能。
63.图9是实施例1和实施例2中的宽带宽功率范围整流电路在几个不同输入功率下的效率随频率变化的响应图，实施例1和实施例2中的宽带宽功率范围整流电路实现了宽带下的高效整流。实测结果中，当输入功率为0dbm时，整流电路效率大于40％的工作带宽为1.4ghz～3.1ghz，相对带宽为75.56％，在输入功率为6dbm时电路在1.7ghz频点处获得了58.81％的最高整流效率。由此可见，实施例1和实施例2中的宽带宽功率范围整流电路在低功率电磁能量输入时具有宽带宽、高效率等优点。
64.图10是实施例1和实施例2中的宽带宽功率范围整流电路在1.7ghz下的效率、负载电压随输入功率变化的响应图，实施例1和实施例2中的宽带宽功率范围整流电路实现了宽功率范围下的高效整流。实测结果中，整流电路效率大于40％的功率范围为-3dbm～25dbm，在输入功率为15dbm时电路获得了66.88％的最高整流效率。由此可见，实施例1和实施例2中的宽带宽功率范围整流电路在高功率电磁能量输入时具有宽功率范围、高效率等优点。
65.如图11所示，实施例1和实施例2中的宽带宽功率范围整流电路在不同功率的电磁能量输入时均有较好的频率响应，实现了较好的阻抗匹配。
66.需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
67.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离
本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
68.应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向目标终端的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
69.此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
70.进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
71.计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的目标终端，包括显示器上产生的物理和有形目标终端的特定视觉描绘。
72.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。